TESIS
OPTIMASI UKURAN PENAMPANG, TOPOLOGI,
DAN BENTUK STRUKTUR PADA STRUKTUR
RANGKA KUDA-KUDA ATAP BAJA DENGAN
MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIKA
RICHARD FRANS No. Mhs: 135101978/PS/MTS
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK SIPIL
PROGRAM PASCASARJANA
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS
Yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : RICHARD FRANS
Nomor Mahasiswa : 135101978
Program Studi : Magister Teknik Sipil
Konsentrasi : Struktur
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tesis dengan judul:
OPTIMASI UKURAN PENAMPANG, TOPOLOGI, DAN BENTUK
STRUKTUR PADA STRUKTUR RANGKA KUDA-KUDA ATAP BAJA
DENGAN MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIKA
Merupakan hasil karya sendiri dan bukan merupakan pekerjaan orang lain ataupun
salinan atau hasil jiplakan dari tesis atau karya tulis orang lain. Apabila
dikemudian hari ternyata terdapat ketidaksesuaian dengan pernyataan diatas,
penulis bersedia menerima segala sanksi yang akan dikenakan.
Yogyakarta, 17 Juni 2014
INTISARI
Banyak cara dalam mengoptimalkan suatu struktur, salah satu diantarnya
adalah dengan menggunakan algoritma genetika sebagai “peralatan” optimasi.
Algoritma genetika adalah prosedur pencarian dan optimasi berdasarkan teori seleksi alami Charles Darwin. Algoritma genetika banyak digunakan pada masalah praktis yang berfokus pada pencarian parameter-parameter optimal. Dalam penelitian ini, algoritma genetika digunakan untuk mencari variabel yang optimal pada struktur kuda-kuda rangka atap baja. Variabel yang akan dioptimasi adalah ukuran penampang, bentuk struktur, dan topologi struktur. Sebagai validasi program yang telah dibuat akan disajikan beberapa benchmark problem sebagai perbandingan dengan hasil-hasil yang pernah didapatkan oleh peneliti terdahulu.
Hasil optimasi pada benchmark problem menunjukkan bahwa algoritma
genetika merupakan suatu „alat‟ optimasi yang sangat baik, dapat dilihat bahwa
berat struktur yang didapatkan adalah 2122,62 kg yang mana merupakan hasil terbaik jika dibandingkan dengan hasil penelitian terdahulu. Berat struktur dari model pertama, model kedua, dan model ketiga dari struktur kuda-kuda rangka atap baja masing-masing adalah 325,9103 kg, 206,2781 kg, dan 1956,037 kg.
Faktor yang paling menentukan dalam mengoptimasi struktur rangka kuda-kuda atap baja pada ketiga kasus ini adalah angka kelangsingan, hal ini dapat dilihat bahwa nilai perpindahan terjadi dan tegangan yang terjadi masih lebih kecil jika dibandingkan dengan nilai perpindahan ijin dan tegangan ijin. Pada ketiga kasus ini, pada penelitian ini beban-beban pada masing-masing kasus dibedakan menjadi dua, yaitu nilai beban (P) sebesar 200 kg tiap titik simpul dan nilai beban (P) yang disesuaikan dengan kondisi konfigurasi dari struktur. Hasil dari kedua kasus ini untuk masing-masing struktur kurang lebih sama, hal ini dikarenakan nilai tegangan dan perpindahan yang hampir sama antara kedua kasus ini, sehingga berat yang dihasilkan sama.
Parameter-parameter optimasi serta banyaknya titik simpul menjadi faktor penentu dalam lamanya waktu yang digunakan untuk mendapatkan variabel-variabel yang optimum (ukuran penampang, bentuk struktur, dan topologi struktur).
Kata-kata kunci : algoritma genetika, optimasi ukuran penampang, optimasi bentuk struktur, optimasi topologi, optimasi
ABSTRACT
There are so many ways for structural optimization, one of them is genetic
algorithm as „tools‟ of optimization. Genetic algorithm is a searching procedure and optimization based on natural selection (theory of Charles Darwin). Genetic algorithm used for practical problem which focused to search optimal parameter. In this paper, genetic algorithm had been used for searching optimal variables on roof truss. Size, shape, and topology are three variables which would be optimized. Benchmark problem is used for validating program optimization which had been made and the result would be compared with the previous result from other researcher.
The result of benchmark problem showed that genetic algorithm is a good
„tools‟ for structural optimization, we can see that weight of structure is 2122,62
kg which become the best result compared by previous result from other researcher. Weight of structure for first model, second model, and third model of roof truss respectively are 325,9103 kg, 206,2781, and 1956,037 kg.
Slenderness factor is a very influence factor for this three roof trusses optimization, it can be seen that actual displacement and actual stress are less compared with displacement limit and stress limit. In this cases (three cases), there are two loading condition, the first loading condition is subjected 200 kg each nodes, the second loading condition is based on structural configuration. The result of this two loading condition is almost similar, because actual stress and actual displacement for two loading condition is almost similar, thus weight of structures are same.
Parameters of optimization and number of nodes become the determining factor for running time to reach the optimum variables such as size of properties, shape, and structural topology.
KATA HANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa dengan
selesainya penulisan tesis ini.
Ide utama dari penulisan ini muncul disebabkan karena dalam dunia
ketekniksipilan sedang berkembang metode-metode untuk membuat suatu struktur
yang optimal dimana struktur tersebut tidak hanya aman dalam hal syarat-syarat
perencanaan, tetapi juga efisien dari segi biaya (cost). Banyak penelitian-penelitian tentang pengoptimalan suatu struktur baik struktur frame maupun struktur truss, namun penelitian tentang penggunaan suatu “tools” optimasi yang
menggunakan beberapa variabel untuk dioptimasi secara simultan masih sedikit.
Oleh karena itu, penulis tertarik untuk membahas kegunaan suatu “tools” optimasi
dalam kasus ini adalah algoritma genetika hybrid (hybrid genetic algorithm) dalam mengoptimasi beberapa variabel desain secara simultan untuk suatu
struktur rangka kuda-kuda atap baja.
Banyak kendala yang dihadapi oleh penulis dalam rangka penulisan tesis
ini namun berkat bantuan dari berbagai pihak maka tesis ini dapat diselesaikan
tepat pada waktunya. Dalam kesempatan ini penulis dengan tulus menyampaikan
terima kasih kepada:
1. Prof. Ir. Yoyong Arfiadi, M.Eng, Ph.D., selaku dosen pembimbing atas
bantuan dan bimbingannya mulai dari pengembangan minat terhadap
permasalahan, pelaksanaan hingga penulisan tesis ini khususnya dalam
yang sangat berguna. Terima kasih sebesar-besarnya. Sebuah kehormatan
besar bisa menjadi mahasiswa bimbingan beliau.
2. Bapak Dr. Ir. Imam Basuki, M.T., sebagai Ketua Program Studi Magister
Teknik Sipil Universitas Atma Jaya Yogyakarta, terima kasih atas segala
bantuan dan bimbingannya.
3. Bapak Ir. John Trihatmoko, M.Sc, Bapak Januar Sudjati, S.T., M.T., dan Ibu
Sumiyati Gunawan, S.T., M.T., selaku dosen-dosen penguji, terima kasih atas
segala masukan dan usulannya.
4. Secara khusus untuk orang tua tercinta, penulis menghanturkan terima kasih
dan penghargaan yang setinggi-tingginya karena telah mengasuh, mendidik
dan memberikan bimbingan sejak kecil serta senantiasa mendoakan agar kami
berhasil dan demikian pula dengan saudara-saudara tercinta.
5. Terima kasih pula kepada kekasih hatiku, Elisabeth Cindy, yang terus
memberikan dorongan motivasi kepada penulis sehingga penulis tidak pernah
menyerah dan selalu semangat untuk menyusun tesis ini hingga selesai.
6. Terima kasih juga kepada Ce Venny, Ko Tian-tian, Ce Yuli, Ce Yanti, Hokiro,
Prisil, Edward, dan Yurico serta teman-teman di Hokiro Computama yang
telah berkontribusi baik secara langsung dan tidak langsung dalam
penyelesaian tesis ini.
7. Terima kasih juga kepada teman-teman program pascasarjana Magister
Teknik Sipil Universitas Atma Jaya Yogyakarta, khususnya konsentrasi
8. Serta yang terakhir ucapan terima kasih juga disampaikan kepada semua pihak
yang tidak tercantum tetapi telah banyak membantu penulis dalam
menyelesaikan tesis ini.
Penulis menyadari bahwa kemampuan, pengetahuan dan pengalaman
penulis sangat terbatas sehingga penulisan ini tidak sesempurna sebagaimana
yang diharapkan. Untuk itu saran dan kritik sangat diharapkan demi
penyempurnaan tesis ini. Akhir kata penulis mengharapkan semoga hasil tesis ini
dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membacanya.
Yogyakarta, 17 Juni 2014
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS iv
INTISARI v
ABSTRACT vi
KATA HANTAR vii
DAFTAR ISI x
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 5
1.3 Batasan Masalah 6
1.4 Keaslian Penelitian 7
1.5 Manfaat Penelitian 7
1.6 Tujuan Penelitian 7
1.7 Sistematika Penulisan 8
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 2.1 Konsep Umum Optimasi 9
2.2 Algoritma Genetika (Genetic Algorithm) 11
2.3 Metode Matriks Kekakuan Pada Struktur Rangka Batang 15 Bidang (Plane Truss)
3.1 Materi Penelitian 17
3.2 Alat Penelitian 19
3.3 Langkah-langkah Penelitian 20
3.4 Prosedur Optimasi 21
3.4.1 Optimasi Ukuran Penampang (Sizing Optimization) 21
3.4.2 Optimasi Topologi (Topology Optimization) 22
3.4.3 Optimasi Bentuk Struktur (Shaping Optimization) 23
BAB IV. PEMBAHASAN 4.1 Benchmark Problem 25
4.2 Data-Data Material Serta Nilai-Nilai Batas yang Diijinkan 31
dalam Mengoptimasi Struktur Kuda-Kuda Atap Baja Untuk Semua Model 4.3 Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 dengan 32
Panjang Bentang 10 m dengan Jumlah Node=8 4.4 Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 dengan 36
Panjang Bentang 10 m dengan Jumlah Node=8 dengan Beban Terpusat yang Disesuaikan dengan Kondisi Struktur 4.5 Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 dengan 38
Panjang Bentang 6 m dengan Jumlah Node=8 4.6 Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 dengan 42
Panjang Bentang 6 m dengan Jumlah Node=8 dengan Beban Terpusat yang Disesuaikan dengan Kondisi Struktur 4.7 Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja dengan 43
Panjang Bentang 25 m dan Jumlah Node=10 BAB V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan 47
5.2 Saran 48
DAFTAR TABEL
No
Gambar Nama Gambar Halaman
4.1
Ukuran Penampang, Tegangan,
Displacement, Berat Batang Hasil Optimasi Percobaan Pertama dengan menggunakan
Hybrid Genetic Algorithm
28
4.2
Ukuran Penampang, Tegangan, Berat Batang Hasil Optimasi Percobaan Kedua
dengan menggunakan Hybrid Genetic Algorithm
30
4.3
Ukuran Penampang, Tegangan, Berat Batang Hasil Optimasi Struktur Rangka
Model 1 dengan menggunakan Hybrid Genetic Algorithm
34
4.4
Ukuran Penampang, Tegangan, Berat Batang Hasil Optimasi Struktur Rangka
DAFTAR GAMBAR
No
Gambar Nama Gambar Halaman
2.1 Kemungkinan Batang yang Terjadi
untuk 4 titik joint 12
2.2 Rangka Batang untuk Binary String 0 1
1 0 0 1 12
2.3 Metode Crossover one cut point 13
2.4 Mutasi untuk Algoritma Genetika Biner 14 2.5 Hubungan antara Variabel dalam
Analisis Struktur 16
3.1 Benchmark Problem 17
3.2
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 (Panjang Bentang = 10 m serta
jumlah nodes=8)
18
3.3
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 (Panjang Bentang = 6m serta
jumlah nodes=8)
18
3.4
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 3 (Panjang Bentang = 25m serta
jumlah nodes=10)
18
3.5 Flowchart Aplikasi Algoritma Genetika
Hybrid (Hybrid Genetic Algorithm) 20
4.1 Benchmark Problem (Ten-Bar Truss) 25 4.2
Hasil Optimasi untuk ten-bar truss
dengan menggunakan hybrid genetic algorithm
27
4.3 Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Percobaan Pertama 27
4.5 Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Percobaan Kedua 30
4.6
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 (Panjang Bentang = 10 m serta
jumlah nodes=8)
32
4.7
Hasil Optimasi Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 (Panjang Bentang = 10 m serta jumlah nodes=8)
33
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1
4.9
Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 Percobaan Kedua
35
4.10
Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 1 dengan Nilai Beban Titik pada
Nodes disesuaikan
37
4.11
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 (Panjang Bentang = 6 m serta
jumlah nodes=8)
38
4.12
Hasil Optimasi Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 (Panjang Bentang = 6 m serta jumlah nodes=8)
39
4.13
Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2
39
4.14
Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 Percobaan Kedua
40
4.15
Kurva Peningkatan Nilai Fitness
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja Model 2 dengan Nilai Beban Titik pada
Nodes disesuaikan
42
4.16
Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja dengan Panjang Bentang 25 m dengan
Jumlah Node=10
43
4.17
Hasil Optimasi Struktur Rangka Kuda-Kuda Atap Baja dengan Panjang Bentang 25 m dengan Jumlah Node=10 menggunakan Hybrid Genetic Algorithm
